Что такое плазма — четвёртое состояние вещества
Ты привык к трём состояниям вещества: твёрдое, жидкое, газ. Но вокруг тебя есть четвёртое — и именно из него состоит почти вся видимая Вселенная. Это плазма, и она ближе, чем кажется.
Лёд, вода, пар — три состояния одной и той же воды, это знают все. Но если нагревать вещество ещё сильнее, газ не остаётся газом: он превращается во что-то новое. В нём начинают летать свободные заряды, он светится и подчиняется магнитам. Это плазма — и из неё сделано Солнце, звёзды и почти всё, что ты видишь на ночном небе.
Откуда взялось «четвёртое состояние»
В школе тебе рассказывают про три состояния вещества. Твёрдое — атомы держатся крепко и сидят на местах, как кирпичи в стене. Жидкое — связи ослабли, частицы могут перетекать друг мимо друга, как вода в стакане. Газ — частицы разлетелись и носятся каждая сама по себе, заполняя весь объём.
Логика простая: чем больше энергии (то есть тепла) ты вливаешь, тем свободнее становятся частицы. Лёд тает, вода кипит. Но что будет, если не останавливаться и греть газ дальше — до тысяч и десятков тысяч градусов?
В обычном атоме вокруг ядра вращаются электроны. При очень высокой температуре частицы сталкиваются так яростно, что выбивают электроны из атомов. Атом, потерявший электрон, превращается в ион — частицу с положительным зарядом. А выбитые электроны летают рядом сами по себе. Вот это «суп» из ионов и свободных электронов и называется плазмой — четвёртым состоянием вещества.
Чем плазма отличается от обычного газа
Можно подумать: ну подумаешь, горячий газ. Но плазма ведёт себя совсем иначе, и всё из-за того, что в ней полно свободных зарядов.
- Она проводит ток. Обычный воздух — изолятор, а плазма отлично пропускает электричество, потому что свободным зарядам есть на чём двигаться.
- Она слушается магнитов и электрических полей. Нейтральному газу на магнит наплевать, а плазму можно гнуть, сжимать и удерживать магнитным полем, не прикасаясь к ней.
- Она светится. Когда выбитый электрон снова цепляется к иону, он отдаёт энергию в виде света. Поэтому плазма почти всегда сияет.
Если газ — это толпа людей, которые ходят кто куда, то плазма — толпа, где у каждого в руке магнит. Достаточно поднести один большой магнит — и вся толпа двинется как единое целое.
Из-за этой «коллективности» физики и выделили плазму в отдельное состояние. Частицы в ней не безразличны друг к другу: каждый заряд чувствует поля всех остальных, и вещество начинает вести себя как единый организм, а не как мешок независимых частиц.
Где её встретить прямо сейчас
Самое удивительное: плазма — это не экзотика из лаборатории. По массе почти вся видимая Вселенная состоит именно из плазмы. Вот лишь несколько примеров.
- Солнце и все звёзды. Это гигантские шары раскалённой плазмы. Тот свет, что греет тебе лицо летом, рождается в плазме за 150 миллионов километров.
- Молния. Когда разряд бьёт сквозь воздух, он на доли секунды нагревает его так сильно, что воздух превращается в плазменный канал. Поэтому молния светится и проводит ток.
- Северное сияние. Это частицы от Солнца врезаются в верхние слои атмосферы и заставляют газ светиться — фактически зажигают плазму прямо в небе.
- Неоновые вывески и лампы дневного света. Внутри них — слабая плазма из светящегося газа.
- Экран старого плазменного телевизора. Название взялось не случайно: каждый пиксель там — крошечная вспышка плазмы.
Получается забавная картина: в привычной нам жизни на Земле плазмы вроде бы мало — мы живём в мире твёрдого, жидкого и газообразного. Но стоит поднять глаза к небу, и почти всё, что там светится, — это плазма.
Зачем учёным плазма
Главная мечта, связанная с плазмой, — это термоядерный синтез, тот самый процесс, который питает Солнце. Если научиться удерживать сверхгорячую плазму и заставить лёгкие ядра сливаться, человечество получит почти безграничный и чистый источник энергии. Проблема в том, что нужная плазма — это десятки миллионов градусов, и её нельзя налить в обычную кастрюлю: любой материал испарится.
Поэтому учёные используют хитрость, которую ты уже знаешь: раз плазма слушается магнитов, её удерживают мощным магнитным полем в подвешенном состоянии, не давая коснуться стенок. Установки для этого называют токамаками, и над ними прямо сейчас работают целые международные команды.
А ещё плазму давно приручили в быту и технике: ею режут металл, наносят покрытия, стерилизуют инструменты, обрабатывают экраны телефонов. Так что четвёртое состояние вещества — это не только звёзды где-то далеко, но и вполне земная рабочая лошадка.
Коротко самое главное
Плазма — это то, что получается, если газ нагреть так сильно, что от атомов отрываются электроны. В итоге вещество превращается в смесь ионов и свободных зарядов, которая проводит ток, светится и подчиняется магнитному полю. На Земле её приходится создавать специально, зато во Вселенной её больше всего: Солнце, звёзды, молнии и сияния — всё это плазма. Так что в следующий раз, глядя на ночное небо, помни: ты смотришь на четвёртое состояние вещества.